2.5: Probando la Teoría Atómica

Se suelen aplicar dos criterios a cualquier teoría. Primero, ¿concuerda con hechos que ya se conocen? Segundo, ¿predice nuevas relaciones y estimula la observación y experimentación adicionales? La teoría atómica de Dalton fue capaz de hacer ambas cosas. Fue especialmente útil para tratar datos relativos a las masas de diferentes elementos que estuvieron involucrados en compuestos químicos o reacciones químicas.

Para probar una teoría, primero la usamos para hacer una predicción sobre el mundo macroscópico. Si la predicción concuerda con los datos existentes, la teoría pasa la prueba. Si no lo hace, la teoría debe ser descartada o modificada. Si no se dispone de datos, entonces se debe hacer más investigación. Eventualmente los resultados de nuevos experimentos pueden compararse con las predicciones de la teoría.

Varios ejemplos de este proceso de prueba de una teoría contra los hechos son proporcionados por la obra de Dalton. Por ejemplo, el postulado 3 de la Teoría Atómica de Dalton (opens in new window) establece que los átomos no se crean, destruyen o cambian en una reacción química. El postulado 2 dice que los átomos de un elemento dado tienen una masa característica: Por deducción lógica, entonces, deben aparecer números iguales de cada tipo de átomo en los lados izquierdo y derecho de ecuaciones químicas como

\[\text{Hg}(l) + \text{Br}_2(l) \rightarrow \text{HgBr}_2(s) \label{1} \]

y la masa total de los reactivos debe ser igual a la masa total de los productos. La teoría atómica de Dalton predice la ley experimental de conservación de la masa de Lavoisier.

Una segunda predicción de la teoría atómica es un poco más compleja. Un compuesto es un número definido de dos o más tipos de átomos. No importa cómo, cuándo, o dónde se haga un compuesto, siempre debe tener las mismas proporciones de diferentes átomos. Así, las moléculas de bromuro mercúrico siempre tienen la fórmula HGbR ₂ sin importar cuánto tengamos o de dónde provenga el compuesto, siempre habrá el doble de átomos de bromo que los átomos de mercurio. Dado que cada tipo de átomo tiene una masa característica, la masa de un elemento que se combina con una masa fija del otro debe ser siempre la misma. En bromuro mercúrico, por ejemplo, si cada átomo de mercurio es 2.510 veces más pesado que un átomo de bromo, la relación de masas sería

\[\dfrac{\text{Mass of 1 mercury atom}}{\text{Mass of 2 bromine atoms}} = \dfrac{2.510 \times \color{red}\cancel{\color{black}\text{mass of 1 bromine atom}}}{2 \times \color{red}\cancel{\color{black}\text{mass of 1 bromine atom}}} = 1.255 \nonumber \]

No importa cuántas moléculas de bromuro de mercurio (II) tengamos, cada una tiene la misma proporción de mercurio, por lo que cualquier muestra de bromuro de mercurio (II) debe tener esa misma proporción de mercurio. Acabamos de derivar la ley de la composición constante, a veces llamada la ley de proporciones definidas. Cuando los elementos se combinan para formar un compuesto, siempre lo hacen exactamente en la misma proporción de masas. Esta ley había sido postulada en 1799 por el químico francés Proust (1754 a 1826) 4 años antes de que Dalton propusiera la teoría atómica, y su derivación lógica de la teoría contribuyó a la aceptación de esta última. La ley de la composición constante hace el punto importante de que la composición y otras propiedades de un compuesto puro son independientes de quién lo preparó o de dónde vino. Se puede esperar que el dióxido de carbono que se encuentra en Marte, por ejemplo, tenga la misma composición que el de la Tierra, mientras que la vitamina C natural extraída y purificada de escaramujos tiene exactamente la misma composición que la vitamina C sintética preparada por una compañía farmacéutica. La pureza absoluta es, sin embargo, un límite ideal al que solo podemos acercarnos, y las propiedades de muchas sustancias pueden verse afectadas por la presencia de cantidades muy pequeñas de impurezas.

Figura:La\(\PageIndex{1}\) disposición de átomos y moléculas en un cristal de bromuro de mercurio (I), Hg 2 _Br 2_. de Wikipedia (Crédito: CCoil). La imagen de la derecha es sólida Hg ₂ Br ₂, mostrada en forma macroscópica.

De la teoría atómica se puede deducir una tercera ley de composición química. Se trata de la situación en la que dos elementos pueden combinarse de más de una manera, formando más de un compuesto. Por ejemplo, si se muele bromuro de mercurio (II) y se mezcla a fondo con mercurio líquido, se forma un nuevo compuesto, bromuro de mercurio (I) (bromuro de mercurio). El bromuro de mercurio (I) es un sólido blanco que se distingue del bromuro de mercurio (II) por su insolubilidad en agua caliente o fría. El bromuro de mercurio (I) también cambia directamente de un sólido a un gas a 345°C. Desde la vista microscópica del bromuro de mercurio sólido (I) en la figura anterior, se puede determinar fácilmente que su fórmula química es\(Hg_2Br_2\). (Dado que hay dos átomos de cada tipo en la molécula, sería incorrecto escribir la fórmula como hGbR.) La ecuación química para la síntesis de bromuro de mercurio es

\[\text{Hg} (l) + \text{HgBr}_2 (s) \rightarrow \text{Hg}_2\text{Br}_2 (s) \label{2} \]

 

Una ecuación química se expresa en términos de estructuras de bola y palo. Una esfera blanca unida a dos esferas rojas reacciona con una sola esfera blanca. La flecha de doble cara apunta a una estructura con dos esferas blancas unidas en el centro unidas a dos esferas rojas, una a la izquierda y a la derecha.

De las fórmulas HGbR ₂ y Hg ₂ Br ₂ (y la imagen de arriba) podemos ver que el bromuro de mercurio (II) tiene solo 1 átomo de mercurio por cada 2 bromo, mientras que el bromuro de mercurio (I) tiene 2 átomos de mercurio por cada 2 bromo. Así, para un número dado de átomos de bromo, el bromuro de mercurio (I) siempre tendrá el doble de átomos de mercurio que el bromuro de mercurio (II). Nuevamente usando el postulado 2 de la Teoría Atómica de Dalton, los átomos tienen masas características, por lo que un número dado de átomos de bromo corresponde a una masa fija de bromo. El doble de átomos de mercurio corresponden al doble de la masa de mercurio.

Por lo tanto podemos decir que para una masa dada de bromo, el bromuro de mercurio (I) contendrá la mitad de la masa de mercurio que el bromuro de mercurio (II) (la masa duplicada de mercurio se proporcionó al agregar mercurio líquido al bromuro mercúrico en la Ecuación\(\ref{2}\)).

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Dado que la masa de un átomo de mercurio es 2.510 veces la masa de un átomo de bromo, calcular la relación másica de mercurio a bromo en bromuro de mercurio (I).

Solución

La fórmula nos\(Hg_2Br_2\) dice que hay 2 átomos de mercurio y 2 átomos de bromo en cada molécula. Por lo tanto, la relación de masa es

\[\dfrac{\text{Mass of 2 mercury atoms}}{\text{Mass of 2 bromide atoms}} = \dfrac{\text{2}\times(\text{2.510}\times\text{Mass of 1 bromide atom})}{\text{2}\times\text{Mass of 1 bromide atom}}=\text{2.510}\nonumber \]

Obsérvese que la masa de mercurio por unidad de masa de bromo es el doble de la calculada anteriormente para el bromuro de mercurio (II).

El razonamiento y los cálculos anteriores ilustran la ley de múltiples proporciones. Cuando dos elementos forman varios compuestos, la relación de masa en un compuesto será un pequeño múltiplo de número entero de la relación de masa en otro. En el caso del bromuro de mercurio (II) y el bromuro de mercurio (I) las relaciones de masa de mercurio a bromo son de 1.255 y 2.510, respectivamente. El segundo valor es un pequeño múltiplo de número entero de (2 veces) el primero.

Hasta que se propuso la teoría atómica, nadie había esperado que existiera relación alguna entre las relaciones de masa en dos o más compuestos que contenían los mismos elementos. Debido a que la teoría predecía tales relaciones, Dalton y otros químicos comenzaron a buscarlas. En poco tiempo, se acumuló una gran cantidad de pruebas experimentales para demostrar que la ley de múltiples proporciones era válida. Así, la teoría atómica pudo dar cuenta de hechos y leyes previamente conocidos, y también predijo una nueva ley. En el proceso de verificar esa predicción, Dalton y sus contemporáneos hicieron muchos experimentos cuantitativos adicionales. Estos llevaron a más hechos, más leyes y, eventualmente, teorías nuevas o modificadas. Esta característica de estimular más investigación y pensamiento puso los postulados de Dalton en la distinguida compañía de otras buenas teorías científicas.